Недорогие фотоэлементы, которые можно будет напечатать дома

пероскитные фотоэлементыНедорогие и эффективные фотоэлементы, изготовленные из материалов, имеющихся вокруг в достатке, это то, к чему стремятся многие инженеры и ученые по всему миру. А что, если это вдруг стало возможным, и у вас появилась возможность напечатать такие фотоэлементы у себя дома на недорогом 3D-принтере?

Самый инновационный ВУЗ — Университет Торонто может сделать печать фотоэлементов такой же легкой и недорогой, как печать газеты. Доктор Хэрен Тан и его команда преодолели критический производственный барьер при разработке относительно нового класса солнечных устройств, которые называют перовскитными фотоэлементами. Эта альтернативная солнечная технология может привести к производству недорогих, напечатанных на принтере солнечных батарей, способных превратить практически любую поверхность в производителя электроэнергии.

«Удешевление производства за счет его массовости позволило значительно снизить стоимость производства кремния», сказал профессор Тед Сарджент, специалист в области новых солнечных технологий из Канадской научно-исследовательской кафедры в области нанотехнологий.

 «Перовскиты дают нам возможность использовать технологии, уже хорошо известные в полиграфической промышленности, для производства фотоэлементов по очень низкой цене. Потенциально, перовскиты и кремниевые фотоэлементы можно объединить для дальнейшего повышения эффективности, но только если будет прогресс в области низкотемпературных процессов».

Сегодня практически все коммерческие фотоэлементы изготавливаются из тонких кремниевых пластин, которые требуют обработки до очень высокой степени чистоты. Это очень энергоемкий процесс, требующий температуры выше 1000 градусов по Цельсию и большого количества опасных растворителей.

И напротив, перовскитовые фотоэлементы зависят от слоя мелких кристаллов, каждый из которых примерно в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса, и сделан из недорогих, светочувствительных материалов. Поскольку материалы для перовскитных фотоэлементов можно добавить в жидкость, чтобы сформировать своего рода «солнечные чернила», то их можно было бы печатать на стекле, пластике или других материалах, используя при этом простой процесс струйной печати.

Но долгое время здесь существовала проблема: для того, чтобы генерировать электричество, электроны, возбуждаемые за счет солнечной энергии, должны быть извлечены из кристаллов, чтобы они могли протекать по электроцепи. Такое извлечение электронов происходит в специальном слое, называемом электронный селективный слой или ESL. Трудность изготовления хорошего селективного слоя и была одной из ключевых проблем, которые сдерживают развитие перовскитных фотоэлементов.

«Сначала наиболее эффективные материалы для изготовления селективных слоев выглядели как порошок, который нужно было запекать при высоких температурах выше 500 градусов по Цельсию», сказал Тан.

«Нельзя просто положить этот порошок сверху на лист гибкой пластмассы или на уже готовый кремниевый фотоэлемент, потому что он просто расплавится».

Тан и его коллеги разработали новую химическую реакцию, которая дает им возможность наносить селективный слой, изготовленный из наночастиц в растворе, непосредственно сверху электрода. И хотя по-прежнему требуется высокая температура, однако процесс начинается при температуре ниже 150 градусов С, что значительно ниже, чем температура плавления многих пластиков.

Новые наночастицы покрываются слоем атомов хлора, который помогает им связываться с верхним слоем перовскита. Такая сильная связь обеспечивает более эффективное извлечение электронов. В статье, недавно опубликованной в журнале Science, Тан и его коллеги сообщают, что эффективность фотоэлементов, изготовленных с использованием нового метода, достигла 20,1%.

«Пока что это самая высокая эффективность из заявленных для таких низкотемпературных технологических процессов», сказал Тан.

Он добавляет, что перовскитовые фотоэлементы, для изготовления которых используется старый высокотемпературный метод лишь незначительно лучше, достигнув 22,1%, и даже самые лучшие кремниевые фотоэлементы могут достигать лишь 26,3%.

Еще одним преимуществом является их стабильность. Многие перовскитные фотоэлементы испытывают серьезное падение производительности всего лишь через нескольких часов работы, но фотоэлементы Тана сохранили более 90% своей эффективности даже после 500 рабочих часов.

«Я думаю, что наша новая технология открывает путь к решению этой проблемы», сказал Тан, который ведет эту работу в рамках стипендии Рубикона.

«Расчеты, сделанные командой из Торонто, красиво объясняют роль недавно разработанного электронно-селективного слоя. Работа иллюстрирует быстро развивающийся вклад, который вычислительное материаловедение вносит в разработку рациональных энергетических устройств следующего поколения», сказал профессор Алан Аспуру-Гузик, специалист по вычислительному материаловедению кафедры химии и химической биологии Гарвардского университета, который не был вовлечен в работу.

Низкие температуры во время производственного процесса открывают целый мир возможностей для применения перовскитных фотоэлементов, начиная от чехлов смартфонов, которые обеспечивают возможности подзарядки, до солнечно-активных тонированных окон, которые компенсируют энергопотребление здания. В ближайшей перспективе технология Тана может быть использован в сочетании с обычными фотоэлементами.

«С помощью нашего низкотемпературного процесса мы могли бы наносить наши перовскитные фотоэлементы непосредственно поверх кремния, не повреждая основной материал,» сказал Тан. Если гибридный фотоэлемент из перовскита и кремния сможет достичь эффективности 30% и выше, то солнечная энергетика станет самым экономически выгодным проектом.

Источник: https://solarthermalmagazine.com/2017/02/16/cheap-solar-cells-print-home/

 

Контакты

ул.Космонавтов 81/6, г.Николаев, Украина
+38 (067) 512 33 83
nfo@sunnik.com.ua
sunnik
sunnik